Energía potencial osmótica: Un buen sustituto de los combustibles

Energía potencial osmótica: Un buen
sustituto de los combustibles fósiles
Ignacio Tomé Fdez. - Ladreda
Resumen— La energía osmótica presenta un enorme potencial para obtener energía limpia mediante el contacto de aguas
con diferentes concentraciones de sal para generar electricidad en centrales instaladas junto a la costa, y de la cual han
surgido dos tipos de tecnologías complementarias: la ósmosis por presión retardada y la electrodiálisis inversa
Palabras Claves— Energía osmótica, Presión osmótica retardada, Electrólisis inversa, Renovable.
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1. INTRODUCCIÓN
L
a utilización continua de una energía verde y renovable es el reto más importante al que se enfrenta la
humanidad en este siglo, siendo un punto clave para
las generaciones futuras [1]. Actualmente, la mayoría de
la generación de electricidad depende de fuentes no renovables de combustibles fósiles que emiten carbono, y
que ha desembocado en un aumento sustancial de las
emisiones de dióxido de carbono y otros importantes impactos ambientales [2, 3]. Las emisiones procedentes de
estas combustiones se prevé que aumentarán de forma
contínua, llegando a 37,2 GT/año en 2035 [4]. Por lo tanto, la implementación de tecnologías para recolección
eficiente de la energía a partir de fuentes renovables es
imprescindible para el crecimiento económico y la protección medioambiental [5].
La fuerza con la que el agua llega a la desembocadura de
un río, viene acompañada de una silenciosa pero inmensa
disipación de energía libre. Este fenómeno no guarda relación alguna con reacciones químicas ni con la pérdida
de calor, solo con la pérdida de orden: los iones de sal,
inicialmente con movimientos limitados al agua salada,
pueden fluir al agua que inicialmente era dulce, volviendo uniforme la concentración de iones en el agua. La
consecuencia de la pérdida de orden se traduce, en términos termodinámicos, en un aumento de la entropía o liberación de la energía libre [6].
La energía libre que se disipa cuando un litro de agua se
dispersa en el mar produce aproximadamente 2,4 kJ, una
energía mucho menor que la energía que posee un litro
de gasolina.
Pero cuando la cantidad de agua aumenta, la energía libre
en juego puede llegar a ser inmensa. Por ejemplo, el río
Po, ingresa unos 1540 m3 por segundo en el mar mediterráneo, disipando una potencia cercana a los 3,7 GW [7].
La energía potencial osmótica se basa en la transformación de la energía libre asociada a la diferencia de salinidad en trabajo mecánico, utilizando para ello membranas
semipermeables. Este trabajo mecánico, asociado al flujo
de agua bajo condiciones específicas de presión, se puede
convertir en corriente eléctrica a través de una turbina [8].
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Ignacio Tomé Fdez-Ladreda. Universidad Pablo de Olavide.
[email protected]
2. TÉCNICAS DE EXPLOTACIÓN
2.1. Ósmosis por Presión Retardada (PRO):
Antes de entrar en los módulos de membrana, el agua de
mar se presuriza mediante el intercambiador de presión
aproximadamente a la mitad de la presión osmótica, 1214 bares. Después de filtrarla, se hace pasar el agua dulce
hacia el módulo de membrana. En este proceso se consigue entonces un exceso de agua de mar presurizada, que
se divide en dos corrientes: un tercio de este agua de mar
a presión se utiliza para la generación de electricidad en
una turbina de energía hidroeléctrica, y la parte restante
pasa a través de un intercambiador de presión con el fin
de presurizar el agua de mar entrante. El agua producida
como desecho (agua salobre) será redirigida de vuelta a la
desembocadura del río o al mar [9].
Fig. 1: Esquema del funcionamiento de la ósmosis por presión retardada.
En los módulos de membrana, el agua con bajo contenido
en sal se mueve a través de la membrana hacia el agua de
concentración más alta, que crea una mayor presión debido a las fuerzas osmóticas. Gracias al control de esta
presión, aproximadamente la mitad de la energía teórica
puede transformarse en energía eléctrica, obteniendo 1
MW por m3/s de agua dulce.
En consecuencia, cuanto mayor es el gradiente de salinidad entre agua dulce y salada, mayor es la presión que se
acumula en el sistema. Por otra parte, cuanta más agua se
introduzca en el sistema, más energía se puede producir.
Es muy importante que tanto el agua dulce como el agua
de mar estén lo más limpias posibles. Las sustancias en
suspensión en el agua pueden quedar capturadas dentro
de la estructura de soporte de membrana o en la misma
superficie de la membrana, reduciendo el flujo a través de
la membrana, la potencia de salida y la eficiencia general
del sistema. Este fenómeno está vinculado a las características de la membrana, al módulo de membrana y al pretratamiento del agua dulce y el agua de mar [11].
ne la resistencia al paso de los iones, esto es, de la corriente.
La potencia típicamente producida es del orden de 1 – 3
W por m2 de membrana, análoga por lo tanto a la producida por la técnica PRO. Dado que la fuente de energía es
la misma, sea PRO o sea EDI, pueden producir idealmente la misma energía a partir de la misma cantidad de
agua, y también el rendimiento efectivo es similar, esto es,
mayor del 50% [6].
3. LA COMPETITIVIDAD DE LA ENERGÍA OSMÓTICA
2.2. ElectroDiálisis Inversa (EDI):
La técnica de la electrodiálisis inversa utiliza una pareja
de membranas, de tipo diferente de las semipermeables
descritas anteriormente: se trata de membranas permeables, ya sea al agua o a los iones de un patrón marcado; se
dividen en catiónicas y aniónicas, según que permitan el
paso de cationes o aniones (figura 2). Estas membranas
están compuestas de polímeros similares a las llamadas
resinas de cambio iónico. Una unidad de la técnica consiste en una serie de compartimentos delimitados por membranas catiónicas y aniónicas alternativamente; se hace
fluir agua dulce y agua salada, de manera que en cada
uno de los compartimentos se encuentre agua con concentración distinta de la del compartimento contiguo. Por
difusión, los iones se esparcen de un compartimento con
agua salada a los dos compartimentos adyacentes, pero,
gracias a las membranas, en los dos compartimentos entran iones de signo opuesto. A lo largo de la secuencia de
los compartimentos se produce por lo tanto una diferencia de potencial, que puede ser recogida con dos electrodos situados a los extremos.
Cuando se acoplan muchas unidades en serie, formando
una pila alimentada por agua salada, la tensión total entre los electrodos alcanza decenas de voltios. En los compartimentos colocados a los extremos, donde se recoge la
corriente de los electrodos, la tensión debe ser suficiente
para que suceda una óxido-reducción, ya que si no ocurriera, no habría ningún paso de corriente
El coste energético estimado de la energía osmótica es
comparable y competitivo con otras fuentes de energías
renovables, como las olas, las mareas y la energía eólica
marina. Aunque las membranas todavía requieren un
mayor desarrollo, un análisis de costos basado en el mercado existente sitúa la energía osmótica como una de las
energías con más potencial de futuro, con un coste estimado de 50-100 € /MWh (figura 3) [8].
Fig.3: Posición potencial en el mercado energético de la energía potencial osmótica.
Por otro lado, el impacto ambiental que produce la
energía potencial osmótica viene asociado a la infraestructura necesaria para su extracción, además del impacto
derivado de la salida y entrada de agua salada sobre el
entorno. Aún así, se podría reducir el impacto mediante
la gestión del agua asociada al funcionamiento de la planta, pudiendo diseñarse ésta de forma que los biotipos del
rio, estuario y océano se alteren poco.
4. CONCLUSIONES
Fig.2: Esquema del funcionamiento de la electrodiálisis inversa.
En la técnica EDI, la permeabilidad de la membrana defi-
La energía osmótica se perfila en el futuro como una de
las energías renovables más potentes. Se siguen desarrollando mejoras en ambos sistemas de extracción, sobretodo en cuanto a la calidad de las membranas. Estudios de
mercado las sitúan en un coste en torno a 50-100 €/MWh,
convirtiéndola en más económica que la energía solar o
eólica en mar abierto, y con la posibilidad de causar un
menor impacto que éstas mediante un óptimo diseño de
las infraestructuras.
5.
REFERENCIAS
[1]
Post, J. W.; Veerman, J.; Hamelers, H. V. M; Euverink, G. J.
W.; Metz, S. J.; Nymeijer, K.; Buisman, C. J. N. Salinity-gradient
power: Evaluation of pressure-retarded osmosis and reverse
electrodialysis. J. Membrane. Sci. 2007, 288, 218−230.
[2] Solomon, S.; Plattner, G. K.; Knutti, R.; Friedlingstein, P. Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions. Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 1704−1709.
[3] Cox, P. M.; Betts, R. A.; Jones, C. D.; Spall, S. A.; Totterdell, I. J.
Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks
in a coupled climate model. Nature 2000, 408 (6813), 184−187.
[4] Roca, J.; Alcántara, V. Economic growth, Energy Use, and CO2
emissions. Energy Research at the Cutting Edge. Nova Science
Publishers, Nueva Cork. 2002 pp. 123-134.
[5] Chu, S.; Majumdar, A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future. Nature 2012, 488 (7411), 294−303.
[6] Broglioli, D. Energia dalla differenza di salinitá. Il nuovo
saggiatore 2012, 28, 28-38.
[7] Loeb, S. Method and apparatus for generating power utilizing
pressure-retarded osmosis. Patent US 4,193,267 Assigned BenGurion University of the negev, Research and development Authority, Beersheba, Israel
[8] Loeb, S., Van Hessen, F., Shahaf, D. Production of energy from
concentrated brines by pressure-retarded osmosis. Preliminary
technical and economic correlations, J. Membrane Sci., 1976, 1,
49.
[9] Gerstandt, K.; Peinemann, K. V.; Skilhagen, S. E.; Thorsen, T.;
Holt, T., Membrane processes in energy supply for an osmotic
power plant. Desalination 2008, 224, 64-70.
[10] Thorsen, T.; Holt, T. The potential for power production from
salinity gradients by pressure retarded osmosis J. Membrane Sci.
2009, 335, 103–110
[11] Brogioli, D. Extracting renewable energy from salinity difference using a capacitor. Phys. Rev. Lett., 2009 103, 058501.
Ignacio Tomé Fdez.-Ladreda: Graduado en
Biología por la Universidad de Sevilla en
2013. Actualmente, cursando el segundo año
del Máster de Biotecnología Ambiental, Industrial y Alimentaria en la Universidad Pablo
de Olavide.